병렬 판 도파관 센서를 사용하여 Terahertz 마이크로 감지

본 프로토콜에서는 홈이 파인 평행판 도파관을 사용하여 테라헤르츠 주파수에서 미세유체 시료의 굴절률을 측정합니다. 먼저 테라헤르츠 범위에서 공진이 발생하도록 홈이 파인 도파관을 설계하고 제작합니다. 그런 다음 테라헤르츠 시간 영역 분광법 시스템을 사용하여 도파관의 공진 주파수를 측정합니다. 이어서, 정확히 측정된 양의 시료 유체를 도파관에 채웁니다.

마지막 단계는 충전된 도파관의 공진 주파수를 측정하는 것입니다. 최종적으로, 빈 도파관과 충전된 도파관의 공진 주파수 차이를 이용하여 테라헤르츠 주파수 영역에서 샘플의 굴절률을 결정할 수 있습니다. 일반적으로 이 방법에 익숙하지 않은 사용자는 반복 가능한 결과를 얻기 위해 요구되는 매우 높은 정확도 때문에 어려움을 겪을 수 있습니다.

Daniel Middleman 연구실의 또 다른 대학원생인 Kim reel과 함께 이제 절차를 시연하겠습니다. 하나 이상의 통합 공동(cavity) 또는 홈(groove)이 있는 평행판 도파관을 설계하십시오. 동봉된 원고에 상세히 기술된 파라미터를 바탕으로 기하학적 구조를 설계하고, 이전 출판물들도 참고하시기 바랍니다.

다음은 몇 가지 일반적인 지침 원칙입니다. 입사 빔과 비교하여 무한한 것으로 간주될 만큼 충분히 넓은 크기의 플레이트를 선택하여 홈에 쉽게 접근할 수 있도록 하십시오. 하단 도파관 플레이트를 상단 플레이트보다 훨씬 넓게 제작하여 홈이 플레이트 전체 너비의 거의 대부분까지 확장되도록 하십시오.

전파 길이는 도파관 전체의 길이가 홈의 범위보다 최소 3배 이상 길어지도록 설정하고, 바닥판의 구멍들은 나사산이 가공되어 있는 반면 상판의 구멍들은 가공되지 않은 상태여야 합니다. 홈의 설계는 원하는 공진 주파수, 원하는 선폭, 선택한 플레이트 간격 등의 요인에 따라 달라집니다. 기준점으로 사용할 경우, 매우 좁거나 매우 얕은 홈에 대한 제작 기술의 한계점을 고려하는 것이 중요합니다.

또한 홈이 없는 동일한 디자인을 제작하십시오. 파손된 현미경의 파편과 같은 유전체 스페이서를 사용하여 플레이스 간격을 유지하십시오. 슬라이드 머신(Slide Machine)으로 도파관을 제작하십시오.

중요한 점은 플레이트의 모서리, 특히 입력면의 모서리를 뭉툭하게 만들지 않는 것입니다. 많은 기계 가공 샵에서는 안전상의 이유로 모서리를 둥글게 처리하는 것이 일반적이지만, 입력면의 모서리가 둥글면 신호가 왜곡됩니다. 서로 수직인 두 개의 평평한 표면을 가진 구조로 조립을 시작하십시오.

바닥 플레이트를 수평면에 놓고 누릅니다. 수직면에 밀착시킵니다. 유전체 스페이서를 나사 구멍에 최대한 가깝게 삽입합니다.

나사당 두 개씩, 양쪽에 하나씩 배치합니다. 나사가 홈을 막거나 입력면 너머로 돌출되지 않았는지 확인하십시오. 상판을 수직면에 밀착시켜 조심스럽게 놓은 다음, 아래로 밀어 하판과 스페이서 위에 안착시킵니다.

이제 두 플레이트를 수직 표면에 밀착시킵니다. 나사를 삽입하고 교차 패턴으로 조금씩 나누어 조입니다. 최종 도파관의 입력면이 완전히 평평한지, 플레이트 간격이 균일한지 확인합니다.

장치를 설정하는 것으로 시작하십시오. 아직 설치되지 않았다면, 공초점 방향으로 rah hertz 빔 경로에 네 개의 렌즈를 배치하십시오. 경로의 중간 지점에 정밀한 초점을 맞추기 위해, 초점 위치에 12 millimeters 크기의 조리개를 설치하십시오.

개구부는 도파관을 통하지 않고 전파되는 모든 방사선을 차단할 수 있을 만큼 충분히 커야 합니다. 개구부의 크기에 따라 도파관 내에서 전파되는 빔의 크기가 결정됩니다. 도파관을 반복적으로 동일한 위치에 배치할 수 있도록 고정 홀더를 사용하십시오.

다음으로, 입력면이 조리개와 접촉하도록 조리개 바로 뒤에 도파관을 배치하고, 도파관의 전파 축을 광축과 최대한 가깝게 정렬하십시오. 이 단계의 정렬은 매우 중요하며, 도파관이 제대로 정렬되지 않을 경우 반사, 분산, 차단 주파수의 변동, 공진 주파수의 문제 및 기타 문제가 발생할 수 있습니다. 이제 주사기 팁이 홈과 정렬되도록 주사기 홀더를 배치하십시오.

최적의 결과를 얻으려면 상호 오염을 방지하기 위해 각 재료마다 다른 시린지를 사용하십시오. 테스트할 액체로 시린지를 채우고 기포를 제거하십시오. 또한 실험 회차 사이에도 이 과정을 수행하십시오.

먼저 웨이브가이드를 분해하는 세척 절차를 따릅니다. 그다음, 실험 후 남은 잔여물을 제거하기 위해 적절한 용매로 두 플레이트를 충분히 세척합니다. 압축 공기로 건조한 후, 앞서 설명한 대로 웨이브가이드를 다시 조립합니다.

grod 도파관의 기준 파형부터 시작하십시오. 기준 파형은 시간 영역 분광계 신호의 장기 안정성에 따라 각 실험 세션 동안 몇 시간마다 한 번만 측정하면 됩니다.

그룹화되지 않은 도파관을 제거합니다. 다음으로, 깨끗한 홈 파인 도파관을 장치에 넣습니다. 비어 있는 그룹화된 도파관의 파형을 측정합니다.

제거 및 분해 과정에서 도파관의 기하학적 구조에 매우 미세한 변화가 생길 수 있습니다. 이러한 변화는 빈 홈과 채워진 홈의 절대 공진 주파수에 영향을 미치지만, 관찰되는 이동 값에는 영향을 주지 않습니다. 따라서 매번 전체 측정을 수행할 때마다 개별적인 빈 참조 시료(empty reference)가 필요합니다.

도파관을 움직이지 않은 상태에서 시프트를 계산하려면, 충전된 시린지를 홀더의 정해진 위치에 놓으십시오. 홈을 천천히 채우십시오. 기포가 생기거나 넘치지 않고 잘 채워지는지 확인하십시오.

다른 파형을 측정하십시오. 시스템에 홈이 여러 개 있는 경우, 원하는 만큼 홈을 계속 채우고 측정을 진행하십시오. 다음 데이터 세트를 수집하기 전에 웨이브 가이드를 제거하고 세척하십시오.

잘 제작된 도파관의 이 예시에서, 홈이 도파관의 전체 길이 또는 너비까지 확장되지 않았음에 유의하십시오. 평행판이 조립되면, 이러한 도파관 구조는 테라헤르츠 주파수용 굴절률 센서를 구현하기에 적합합니다. 굴절률 측정을 위해서는 적은 양의 액체가 필요합니다.

이 데이터는 전형적인 주파수 스펙트럼을 보여주며, 테트라데칸(tetra decane) 분석을 통해 얻은 결과입니다. 기준이 되는 홈 없는 도파관(un grooved wave guide)에서 얻은 스펙트럼은 검은색으로 표시되어 있고, 액체가 채워지지 않은 홈 파인 도파관(grooved wave guide)의 측정값은 파란색으로, 테트라데칸 시료가 들어 있는 홈 파인 도파관은 빨간색으로 표시되어 있습니다. 이후 비어 있는 상태와 채워진 상태의 홈 파인 도파관에 대한 진폭 스펙트럼을 제곱한 후, 기준 도파관의 스펙트럼으로 나누어 전력 전송 스펙트럼을 구합니다.

빈 도파관과 채워진 도파관의 공진 특성 사이의 주파수 차이는 굴절률과 연관된 공진 이동(resonant shift)입니다. 이 절차를 수행할 때, 최대한 일관성을 유지하고 도파관 내의 교차 오염을 최소화하도록 주의하는 것이 중요합니다. 이 영상을 시청한 후에는 테라헤르츠 시간 영역 분광법(Terahertz time domain spectroscopy)을 사용하여 홈이 파인 평행판 도파관의 공진 주파수를 측정함으로써 미세 유체 시료의 굴절률 측정값을 얻는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다.